CN117879755A - 一种多天线隐蔽通信方法、装置、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多天线隐蔽通信方法、装置、设备及介质，涉及新一代无线通信技术领域，包括以下步骤：构建包括多天线发射机Alice、STAR‑RIS、单天线接收器用户Bob，单天线监听者Willie和双天线公共辅助用户Carol的隐蔽通信系统；构建以Bob的最大化通信隐蔽速率为优化目标，以Alice传输功率约束、Willie的最小探测误差概率约束、Carol处的服务质量约束以及STAR‑RIS的幅值和相位约束为约束条件的非凸优化问题；将非凸优化问题分解为多个非凸子问题并进行转化，通过迭代优化算法对多个凸子问题进行求解，得到优化结果。相比于传统方案，不仅能够获得更高的性能增益，还有更广的覆盖范围。
Description
技术领域
本发明涉及新一代无线通信技术领域，特别是涉及一种多天线隐蔽通信方法、装置、设备及介质。
背景技术
随着5G时代的到来，在先进的通信和数据处理技术的驱动下，人们越来越依赖于无线通信。大量的重要敏感信息，如身份信息、机密文件等，在开放的无线网络中传输，加大了被窃听的风险。因此，信息安全问题越来越受到人们的重视。
物理层安全作为保护私人信息不受窃听攻击的关键技术，近年来受到了广泛的关注。然而，由于物理层安全技术只能保护无线通信的内容信息，而不能隐藏通信的存在，所以在要求隐秘性的场景下，如军事秘密行动，物理层安全技术不能很好地发挥作用。近年来，隐蔽通信技术作为一种新的安全模式出现，在民用和军用领域都引起了广泛的研究兴趣，它可以保护收发机之间的通信，为无线通信系统提供更高级别的安全性。
目前已有的隐蔽方案虽然能够有效的提升基站与用户之间的隐蔽性能，但是这些方案都是基于不可控的随机的信道设计而成，所能带来的性能增益被严重地限制。为了克服这个挑战，基于可重构智能表面（RIS）的隐蔽方案被提出，RIS可以动态地调控入射信号的电磁特性从而在基站与用户之间构建一个端到端的可控的虚拟信道，极大地提高隐蔽性能。
但是传统的RIS要求基站和用户在RIS同一侧，这将限制系统的覆盖范围，且隐蔽通信可靠性较低。
发明内容
本发明提供了一种多天线隐蔽通信方法、装置、设备及介质，解决了传统的RIS要求基站和用户在RIS同一侧，这将限制系统的覆盖范围，且隐蔽通信可靠性较低问题。
本发明提供一种多天线隐蔽通信方法，包括以下步骤：
构建一个包括多天线发射机Alice、反射透射型可重构智能表面STAR-RIS、一个单天线接收器用户Bob、一个单天线监听者Willie和双天线公共辅助用户Carol的隐蔽通信系统；其中，Alice用于发射信号，STAR-RIS用于反射和透射Alice发射的信号，Bob和Willie共同接收由STAR-RIS反射的信号，Carol上的一根天线用于接收经STAR-RIS透射的信号，另一根天线用于发射干扰信号并且干扰信号经STAR-RIS透射后干扰监听者Willie的监听工作；
基于所述隐蔽通信系统，获取Alice最大发射功率约束、Willie的最小探测误差概率约束、Carol处的服务质量约束、STAR-RIS的幅值和相位约束以及Bob的通信隐蔽速率；
构建以Bob的最大化通信隐蔽速率为优化目标，以Alice传输功率约束、Willie的最小探测误差概率约束、Carol处的服务质量约束以及STAR-RIS的幅值和相位约束为约束条件的非凸优化问题；
将非凸优化问题分解为第一非凸子问题、第二非凸子问题和第三非凸子问题，将第一非凸子问题、第二非凸子问题转化为第一凸子问题、第二凸子问题和第三凸子问题；
通过迭代优化算法对第一凸子问题、第二凸子问题和第三凸子问题进行求解，得到优化结果；
根据优化结果提升多天线发射机Alice与Bob之间的隐蔽通信性能。
优选的，获取Willie的最小探测误差概率约束，包括以下步骤：
基于所述隐蔽通信系统，建立Bob和Carol接收信号表达式；
基于Bob和Carol接收信号表达式，建立Willie接收信号表达式；
根据Willie接收信号表达式计算Willie接收信号的平均功率；
根据Willie接收信号的平均功率计算Willie的探测误差概率；
使用大系统分析技术以及采用渐近解析结果得出Willie最小探测误差概率的下界；
基于Willie最小探测误差概率的下界得到Willie的最小探测误差概率约束。
优选的，获取Bob的通信隐蔽速率，包括以下步骤：
获取Bob处的信道容量；
根据信道容量计算Bob处发生通信中断的概率；
基于Bob处发生通信中断的概率定义通信中断约束，将通信中断约束进行等价表示，得到Bob的通信速率的上界，即为Bob的通信隐蔽速率。
优选的，所述优化问题如下所示：
式中，和/>是STAR-RIS的反射系数矩阵和透射系数矩阵，/>和/>是Alice对Bob和Carol的预编码向量，Rbb是Bob的通信隐蔽速率，Pmax是最大发射功率，/>是隐蔽要求，Rcc是Carol处通信速率的上界，/>是Carol发射的最大干扰信号功率，/>是Carol所需的最小通信速率，/>是STAR-RIS和Willie之间的大规模路径损耗，/>分别是STAR-RIS的第n个单元的反射系数的幅值，/>是透射系数的幅值和相位，/>、/>、/>和/>是Willie的最小探测误差概率约束的多个参数。
优选的，所述第一非凸子问题为在给定、/>和/>的情况下设计/>，所述第二非凸子问题为在给定/>、/>和/>的情况下设计/>，所述第三非凸子问题为将/>和固定位第一非凸子问题和第二非凸子问题的解，对/>和/>进行优化设计。
优选的，通过SDR方法对第一非凸子问题和第二非凸子问题进行转化，得到第一凸子问题、第二凸子问题；通过SDR方法和Dinkelbach’s算法对第三凸子问题进行转化，得到第三凸子问题。
优选的，通过迭代优化算法对第一凸子问题、第二凸子问题和第三凸子问题进行求解，包括以下步骤：
步骤1：设置初始可行点，惩罚系数/>，并计算目标函数间隙，定义容忍阈值/>和/>，设置外部循环迭代索引/>；当/>或/>时，重复如下循环：
初始化和设置内层循环/>，当/>或/>时，根据给定的/>来求解第三凸子问题，用得到的解更新/>，根据得到的结果来计算/>，并且使；
计算，更新/>，/>，/>是惩罚系数的比例因子，使以及/>；结束循环；
根据得到的和/>计算/>和/>；
步骤2：定义表示相邻两个迭代的目标值差距，当v小于预定义的精度阈值时，算法收敛；
初始化可行点，定义容忍精度/>，设置迭代索引/>；重复以下循环：
当或/>时，利用SDR方法解决第一凸子问题的松弛版本，并且利用高斯随机化方法构造秩一解，然后更新/>；
利用SDR方法解决第二凸子问题的松弛版本，并且更新；
根据步骤1来解决第三凸子问题，并且更新和/>；
计算目标值，再更新/>，让/>；结束循环。
一种多天线隐蔽通信装置，包括：
系统构建模块，用于构建一个包括多天线发射机Alice、反射透射型可重构智能表面STAR-RIS、一个单天线接收器用户Bob、一个单天线监听者Willie和双天线公共辅助用户Carol的隐蔽通信系统；其中，Alice用于发射信号，STAR-RIS用于反射和透射Alice发射的信号，Bob和Willie共同接收由STAR-RIS反射的信号，Carol上的一根天线用于接收经STAR-RIS透射的信号，另一根天线用于发射干扰信号并且干扰信号经STAR-RIS透射后用于干扰监听者Willie的监听工作；
数据获取模块，用于基于所述隐蔽通信系统，获取Alice最大发射功率约束、Willie的最小探测误差概率约束、Carol处的服务质量约束、STAR-RIS的幅值和相位约束以及Bob的通信隐蔽速率；
优化问题构建模块，用于构建以Bob的最大化通信隐蔽速率为优化目标，以Alice传输功率约束、Willie的最小探测误差概率约束、Carol处的服务质量约束以及STAR-RIS的幅值和相位约束为约束条件的非凸优化问题；
优化问题分解模块，用于将非凸优化问题分解为第一非凸子问题、第二非凸子问题和第三非凸子问题，将第一非凸子问题、第二非凸子问题转化为第一凸子问题、第二凸子问题和第三凸子问题；
优化问题求解模块，用于通过迭代优化算法对第一凸子问题、第二凸子问题和第三凸子问题进行求解，得到优化结果；
通信优化模块，用于根据优化结果提升多天线发射机Alice与Bob之间的隐蔽通信性能。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的多天线隐蔽通信方法。
一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的多天线隐蔽通信方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明首先构建一个包括多天线发射机Alice、STAR-RIS、一个单天线接收器用户Bob，一个单天线监听者Willie和双天线公共辅助用户Carol的隐蔽通信系统，使位于STAR-RIS两侧的合法用户可以同时得到服务，可以在随机的无线环境下进行更灵活的重构，从而大大提高系统的隐蔽性能。基于该通信系统构建以Bob的最大化通信隐蔽速率为优化目标，以Alice传输功率约束、Willie的最小探测误差概率约束、Carol处的服务质量约束以及STAR-RIS的幅值和相位约束为约束条件的非凸优化问题。通过迭代算法来求解非凸优化问题。仿真结果表明，相比于传统RIS的方案，本方案不仅能够获得更高的性能增益，同时还有更广的覆盖范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的隐蔽通信系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1中在服务质量约束=4时，在/>，/>，/>，和/>的情况下，Alice处平均隐蔽率与传输功率/>的性能示意图；
图3为本发明实施例1中在服务质量约束=5时，在/>，/>，/>，和/>的情况下，Alice处平均隐蔽率与传输功率/>的性能示意图；
图4为本发明实施例2中在不同发射功率与服务质量约束/>=4时 ，在，/>，/>和/>的情况下，STAR-RIS上的单元数量/>与平均隐蔽率的变化曲线；
图5为本发明实施例2中在不同发射功率与服务质量约束/>=5时 ，在，/>，/>和/>的情况下，STAR-RIS上的单元数量/>与平均隐蔽率的变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明是由一个多天线发射机Alice、STAR-RIS、一个单天线接收器用户Bob，一个单天线监听者Willie和双天线公共辅助用户Carol组成的隐蔽通信系统，以接收机Bob的最大化通信隐蔽率为优化目标，再加以Alice传输功率约束，监听者Willie的最小探测误差概率约束，Carol处的服务质量约束，STAR-RIS的幅值和相位约束。通过以上构建多天线隐蔽通信系统优化问题。
利用一种友好的双天线全双工接收机来协助多天线发射机和单天线接收器之间存在的隐蔽通信。这种双天线全双工接收机其中的一根天线负责接收发射信号，另一根天线发射功率变化的干扰信号以扰乱监听者。为了保证系统性能，在最坏的情况下推导出最小检测误差概率的封闭表达式，并在一个隐蔽约束下加以利用。在此基础上，利用通信中断分析，提出了在服务质量约束和服务隐蔽约束下，系统隐蔽率最大化的优化问题。为了联合设计发射机的有源波束成形和STAR-RIS的无源波束成形，提出了一种基于半正定松弛（semi-definite relaxation, SDR）方法和Dinkelbach’s算法的迭代算法，有效地解决了非凸优化问题。
本发明提供一种多天线隐蔽通信方法，具体涉及一种STAR-RIS辅助下的多天线隐蔽通信方法。包括以下步骤：
第一步：参照图1，构建一个包括多天线发射机Alice、STAR-RIS、一个单天线接收器用户Bob，一个单天线监听者Willie和双天线公共辅助用户Carol的隐蔽通信系统。
其中，多天线发射机Alice用于发射信号，STAR-RIS用于反射和透射Alice发射的信号，Bob和Willie共同接收由STAR-RIS反射的信号，双天线公共辅助用户Carol上的一根天线用于接收经STAR-RIS透射的信号，另一根天线用于发射干扰信号并且干扰信号经STAR-RIS透射后用于干扰监听者Willie的监听工作。
第二步：基于隐蔽通信系统，获取Alice最大发射功率约束、Willie的最小探测误差概率约束、Carol处的服务质量约束、STAR-RIS的幅值和相位约束以及Bob的通信隐蔽速率。
建立Bob和Carol接收到的信号表达式：
（1）
（2）
从Alice到STAR-RIS，STAR-RIS到Bob、Carol以及Willie的无线通信信道分别为，/>，/>和/>， Carol的自干扰信道为/>。/>为Carol发射的干扰信号功率服从均匀分布，其最大功率为/>。/>和/>分别表示STAR-RIS的反射系数矩阵和透射系数矩阵。/>和/>分别是在Alice处对Bob和Carol的预编码向量。/>和/>分别是Alice向Bob和Carol发送的信号，而/>是Carol发送的干扰信号。/>和/>分别为Bob和Carol接收到的噪声。
监听者Willie通过检测其接收到的信号构建二元假设模型来确定Alice是否给Bob发送信号，并且为了模型的实际性，对Willie监听者的检测误差概率进行优化并给出最优检测阈值以及最小检测误差概率。
先建立其接收信号表达式：
（3）
（4）
其中代表Alice仅向Carol发送公共信号，而/>代表Alice不仅对Carol发送公共信号，而且也向Bob发送隐蔽信号。/>代表Willie接收到的噪声。k是接收信号序列标号，K是最大信号采样次数。
Willie接收信号的平均功率为：
（5）
设定检测阈值> 0，假设/>表示当/>时Willie接收信号判定为/>，/>表示当/>时Willie接收信号判定为/>。根据/>的分布，可以计算Willie的错误探测概率为：
（6）
由式（6）可以得出，错误探测概率分为虚警（FA）概率与漏检（MD）概率，其中虚警概率是指Willie接收信号为情况下判定决策为/>，漏检概率是指Willie接收信号为/>情况下判定决策为/>。
假设STAR-RIS采用足够多的单元，使用大系统分析技术以及采用渐近解析结果得出Willie最小检测差错概率的下界为：
（7）
其中，/>，/>，/>。
由于引入干扰信号，使得Alice与Bob和Carol之间的通信有可能中断，因此需要分析通信中断概率。当Alice到Bob（Rb）或Carol（Rc）所需的通信速率超过相应的信道容量时机会发生通信中断（Cb、Cc），即在Bob和Carol处发生通信中断的概率分别为、。在Bob和Carol处的信道容量分别为/>，/>。 假设Bob和Carol处发生通信中断的概率分别为/>与/>，根据通信系统性能要求，定义通信中断约束/>、/>，/>、/>分别为系统性能指标要求的通信中断阈值，那么中断概率的表达式分别为/> 其中/>，/>，。
将通信中断约束等价表示为，/>，其中是/>的解， Rbb和 Rcc分别是Rb和Rc的上界以保证通信中断约束，可以表示为，/>。因此在通信中断约束下对Bob来说最大通信隐蔽速率为Rbb，因此可以最大化Rbb来提高系统隐蔽性能。同样在通信中断约束下对Carol来说最大通信速率为Rcc，本发明引入/>来保证辅助用户Carol的服务质量，其中/>为Carol所需的最小通信速率。
第三步：构建以Bob的最大化通信隐蔽速率为优化目标，以Alice传输功率约束、Willie的最小探测误差概率约束、Carol处的服务质量约束以及STAR-RIS的幅值和相位约束为约束条件的非凸优化问题。
构建多天线隐蔽通信系统优化问题如公式（8）所示：
（8）
（8a）是最大发射功率约束。（8b）是等价的通信隐蔽约束。（8c）是Carol处的服务质量约束。（8d）是STAR-RIS的幅值和相位约束。
第四步：将非凸优化问题分解为第一非凸子问题、第二非凸子问题和第三非凸子问题，通过SDR技术和Dinkelbach’s算法对第一非凸子问题、第二非凸子问题转化为第一凸子问题、第二凸子问题和第三凸子问题。
通过交替策略来设计优化算法，将此问题分为三个子问题，其中两个子问题是分别针对、/>，另一个子问题是针对/>、/>。在算法收敛后，最终得到一个联合/>、/>、/>和/>的解。
首先在给定、/>和/>的情况下设计/>。第一非凸子问题可以描述为：
（9）
其中，/>，/>，/>，并且，/>。由于优化问题（9）目标函数是非凹的，约束（9b）也是非凸的，因此（9）问题是非凸的。使用SDR技术对目标函数和约束（9c）进行处理。此外，/>是凹函数，在总体算法的/>次迭代中（/>），利用/>在点/>处的一阶泰勒展开/>来代替/>，使得约束（9b）转换成一个凸约束，因此问题（9）在第/>次迭代时表述为：
（10）
接着在给定、/>和/>的情况下设计/>，那么问题（8）就可以简化为：
（11）
其中，/>，/>。同样利用SDR技术来处理非凸优化问题(11)。
最后，可以将和/>固定为上面求得的解，来联合优化设计/>和/>，问题转化为：
（12）
其中，，/>，/>，，/>，，符号/>表示Hadamard积。接下来使用Dinkelbach’s算法和SDR技术对问题（12）进行处理。在Dinkelbach’s算法的第/>次迭代中目标函数可以表示为，/>，/>，，/>和/>是通过/>次迭代的优化解。约束（12a）的左式是关于/>单调递减的函数，因此约束（12a）可以等价的转换成/>，/>可以用二分法进行数值求解，/>，/>，/>，。同样，使用SDR可以得到/> ，，/>，对于任意正半定矩阵/>，不等式总是成立，并且当且仅当/>时满足等式, 因此将秩一约束转换成惩罚项加入到目标函数中。
引入两个惩罚系数和/>，那么（12）的目标函数可以表示为，又因为/>和/>的非凸性，将/>和/>表达式中的凸谱范数进行一阶泰勒展开得到/>和/>的线性上界近似为，/> ，/>和/>是/>和/>最大特征值对应的特征向量。因此第/>次迭代中的优化问题表述为：
（13）
第五步：通过迭代优化算法对第一凸子问题、第二凸子问题和第三凸子问题进行求解，得到优化结果。
为了解决问题（12），算法1提出一种两层迭代算法，外层用于更新惩罚系数和/>，内部循环通过Dinkelbach’s算法更新/>和/>，/>是惩罚系数的比例因子。另有，/>。
算法1：设置初始可行点，惩罚系数/>，并计算/>，定义算法的容忍阈值/>和/>，设置外部循环迭代索引/>。当/>或/>时，重复如下循环：
初始化和设置内层循环/>，当/>或/>时，重复以下第一层循环：根据给定的/>来求解问题（13），用得到的解更新/>，根据得到的结果来计算，并且使/>。结束第一层循环。
计算，更新/>，/>，使/>以及/>。结束该循环，根据得到的/>和/>计算/>和/>。
算法2：总结了求解STAR-RIS辅助下的多天线隐蔽通信系统的总体优化问题（8），该优化问题是交替求解三个子问题的交替优化算法。其中，表示相邻两个迭代的目标值差距，当v小于预定义的精度阈值/>时，算法收敛。算法2如下所示：
初始化可行点，定义容忍精度/>，设置迭代索引/>。重复以下循环：当/>或/>时，利用SDR方法解决子问题（10）的松弛版本，并且利用高斯随机化方法构造秩一解，然后更新/>；同样地，利用SDR方法解决子问题（11）的松弛版本，并且更新/>。根据算法1来解决子问题（12），并且更新/>和/>。计算目标值/>，再更新，让/>。结束循环。
至此，技术方案与仿真结果都可以验证本发明方法在通信隐蔽方面的有效作用。
基于同一个构思，本发明还提供一种多天线隐蔽通信装置，包括系统构建模块、数据获取模块、优化问题构建模块、优化问题分解模块、优化问题求解模块和通信优化模块。
系统构建模块用于构建一个包括多天线发射机Alice、反射透射型可重构智能表面STAR-RIS、一个单天线接收器用户Bob、一个单天线监听者Willie和双天线公共辅助用户Carol的隐蔽通信系统；其中，Alice用于发射信号，STAR-RIS用于反射和透射Alice发射的信号，Bob和Willie共同接收由STAR-RIS反射的信号，Carol上的一根天线用于接收经STAR-RIS透射的信号，另一根天线用于发射干扰信号并且干扰信号经STAR-RIS透射后用于干扰监听者Willie的监听工作。
数据获取模块用于基于隐蔽通信系统，获取Alice最大发射功率约束、Willie的最小探测误差概率约束、Carol处的服务质量约束、STAR-RIS的幅值和相位约束以及Bob的通信隐蔽速率。
优化问题构建模块用于构建以Bob的最大化通信隐蔽速率为优化目标，以Alice传输功率约束、Willie的最小探测误差概率约束、Carol处的服务质量约束以及STAR-RIS的幅值和相位约束为约束条件的非凸优化问题。
优化问题分解模块用于将非凸优化问题分解为第一非凸子问题、第二非凸子问题和第三非凸子问题，将第一非凸子问题、第二非凸子问题转化为第一凸子问题、第二凸子问题和第三凸子问题。
优化问题求解模块用于通过迭代优化算法对第一凸子问题、第二凸子问题和第三凸子问题进行求解，得到优化结果。
通信优化模块用于根据优化结果提升多天线发射机Alice与Bob之间的隐蔽通信性能。
基于同一个构思，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现上述的多天线隐蔽通信方法。
基于同一个构思，本发明还提供一种计算机可读存储介质，存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的多天线隐蔽通信方法。
实施例1
参照图2和图3，考虑到不同的carol处服务质量（）和隐蔽（/>）要求，在，/>，/>，/>和/>的情况下，展示在Alice处平均隐蔽率与传输功率/>的性能。可以发现，在/>达到6dbw之前，所有场景下所有方案的可实现隐蔽率都随着/>的增长而逐渐增加。由于系统设置的限制，当/>进一步增加时，隐蔽率接近饱和。很明显，与被称为移动渐近线法的全局收敛版本（GCMMA）的基线算法相比，本发明所提出的优化方案可以获得显著的性能改进，这明显验证了所提出算法的有效性。与RIS辅助基线方案相比，可以发现本发明所提出的STAR-RIS辅助方案在提高系统性能方面具有很强的优势，并且当服务质量要求放宽但发射功率预算有限(较小的/>和/>)时，这种优势可能会进一步扩大。此外，可以观察到，如果服务质量或隐蔽约束变得更紧，即从/>=4到=5，或从/>=0.2到/>=0.1，则隐蔽率会降低。与RIS辅助方案相比，适度/>的STAR-RIS辅助方案的性能退化严重得多。
实施例2
参照图4和图5，展示了在不同发射功率与不同服务质量约束/>以及在，/>，/>和/>的情况下，STAR-RIS上的单元数量/>与平均隐蔽率的变化曲线。可以看出，所有方案的平均隐蔽率都随着/>的增加而增加，因为增加的单元可以为传播环境的重构提供更高的自由度。但随着/>的增加，增加速率逐渐降低，这可能是由于其他系统设置的限制。类似地，选择/>来实现两个基准方案，即RIS辅助方案和GCMMA方案。得到的结果进一步验证了所提出的STAR-RIS辅助方案的优势，在发射功率预算更小(/>)的情况下，该方案可以获得比基准方案更好的性能。此外，所提方案的性能提高随着单元数量的增加而更加明显。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种多天线隐蔽通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建一个包括多天线发射机Alice、反射透射型可重构智能表面STAR-RIS、一个单天线接收器用户Bob、一个单天线监听者Willie和双天线公共辅助用户Carol的隐蔽通信系统；其中，Alice用于发射信号，STAR-RIS用于反射和透射Alice发射的信号，Bob和Willie共同接收由STAR-RIS反射的信号，Carol上的一根天线用于接收经STAR-RIS透射的信号，另一根天线用于发射干扰信号并且干扰信号经STAR-RIS透射后用于干扰监听者Willie的监听工作；
基于所述隐蔽通信系统，获取Alice最大发射功率约束、Willie的最小探测误差概率约束、Carol处的服务质量约束、STAR-RIS的幅值和相位约束以及Bob的通信隐蔽速率；
构建以Bob的最大化通信隐蔽速率为优化目标，以Alice传输功率约束、Willie的最小探测误差概率约束、Carol处的服务质量约束以及STAR-RIS的幅值和相位约束为约束条件的非凸优化问题；
将非凸优化问题分解为第一非凸子问题、第二非凸子问题和第三非凸子问题，将第一非凸子问题、第二非凸子问题转化为第一凸子问题、第二凸子问题和第三凸子问题；
通过迭代优化算法对第一凸子问题、第二凸子问题和第三凸子问题进行求解，得到优化结果；
根据优化结果提升多天线发射机Alice与Bob之间的隐蔽通信性能。
2.如权利要求1所述的一种多天线隐蔽通信方法，其特征在于，获取Willie的最小探测误差概率约束，包括以下步骤：
基于所述隐蔽通信系统，建立Bob和Carol接收信号表达式；
基于Bob和Carol接收信号表达式，建立Willie接收信号表达式；
根据Willie接收信号表达式计算Willie接收信号的平均功率；
根据Willie接收信号的平均功率计算Willie的探测误差概率；
使用大系统分析技术以及采用渐近解析结果得出Willie最小探测误差概率的下界；
基于Willie最小探测误差概率的下界得到Willie的最小探测误差概率约束。
3.如权利要求2所述的一种多天线隐蔽通信方法，其特征在于，获取Bob的通信隐蔽速率，包括以下步骤：
获取Bob处的信道容量；
根据信道容量计算Bob处发生通信中断的概率；
基于Bob处发生通信中断的概率定义通信中断约束，将通信中断约束进行等价表示，得到Bob的通信速率的上界，即为Bob的通信隐蔽速率。
4.如权利要求3所述的一种多天线隐蔽通信方法，其特征在于，所述优化问题如下所示：
式中，和/>是STAR-RIS的反射系数矩阵和透射系数矩阵，/>和/>是Alice对Bob和Carol的预编码向量，Rbb是Bob的通信隐蔽速率，Pmax是最大发射功率，/>是隐蔽要求，Rcc是Carol处通信速率的上界，/>是Carol发射的最大干扰信号功率，/>是Carol所需的最小通信速率，/>是STAR-RIS和Willie之间的大规模路径损耗，/>分别是STAR-RIS的第n个单元的反射系数的幅值，/>是透射系数的幅值和相位，/>、/>、/>和/>是Willie的最小探测误差概率约束的多个参数。
5.如权利要求4所述的一种多天线隐蔽通信方法，其特征在于，所述第一非凸子问题为在给定、/>和/>的情况下设计/>，所述第二非凸子问题为在给定/>、/>和/>的情况下设计/>，所述第三非凸子问题为将/>和/>固定位第一非凸子问题和第二非凸子问题的解，对/>和/>进行优化设计。
6.如权利要求5所述的一种多天线隐蔽通信方法，其特征在于，通过SDR方法对第一非凸子问题和第二非凸子问题进行转化，得到第一凸子问题、第二凸子问题；通过SDR方法和Dinkelbach’s算法对第三凸子问题进行转化，得到第三凸子问题。
7.如权利要求6所述的一种多天线隐蔽通信方法，其特征在于，通过迭代优化算法对第一凸子问题、第二凸子问题和第三凸子问题进行求解，包括以下步骤：
步骤1：设置初始可行点，惩罚系数/>，并计算目标函数间隙/>，定义容忍阈值/>和/>，设置外部循环迭代索引/>；当/>或/>时，重复如下循环：
初始化和设置内层循环/>，当/>或/>时，根据给定的/>来求解第三凸子问题，用得到的解更新/>，根据得到的结果来计算/>，并且使/>；
计算，更新/>，/>，/>是惩罚系数的比例因子，使以及/>；结束循环；
根据得到的和/>计算/>和/>；
步骤2：定义表示相邻两个迭代的目标值差距，当v小于预定义的精度阈值/>时，算法收敛；
初始化可行点，定义容忍精度/>，设置迭代索引/>；重复以下循环：
当或/>时，利用SDR方法解决第一凸子问题的松弛版本，并且利用高斯随机化方法构造秩一解，然后更新/>；
利用SDR方法解决第二凸子问题的松弛版本，并且更新；
根据步骤1来解决第三凸子问题，并且更新和/>；
计算目标值，再更新/>，让/>；结束循环。
8.一种多天线隐蔽通信装置，其特征在于，包括：
系统构建模块，用于构建一个包括多天线发射机Alice、反射透射型可重构智能表面STAR-RIS、一个单天线接收器用户Bob、一个单天线监听者Willie和双天线公共辅助用户Carol的隐蔽通信系统；其中，Alice用于发射信号，STAR-RIS用于反射和透射Alice发射的信号，Bob和Willie共同接收由STAR-RIS反射的信号，Carol上的一根天线用于接收经STAR-RIS透射的信号，另一根天线用于发射干扰信号并且干扰信号经STAR-RIS透射后用于干扰监听者Willie的监听工作；
数据获取模块，用于基于所述隐蔽通信系统，获取Alice最大发射功率约束、Willie的最小探测误差概率约束、Carol处的服务质量约束、STAR-RIS的幅值和相位约束以及Bob的通信隐蔽速率；
优化问题构建模块，用于构建以Bob的最大化通信隐蔽速率为优化目标，以Alice传输功率约束、Willie的最小探测误差概率约束、Carol处的服务质量约束以及STAR-RIS的幅值和相位约束为约束条件的非凸优化问题；
优化问题分解模块，用于将非凸优化问题分解为第一非凸子问题、第二非凸子问题和第三非凸子问题，将第一非凸子问题、第二非凸子问题转化为第一凸子问题、第二凸子问题和第三凸子问题；
优化问题求解模块，用于通过迭代优化算法对第一凸子问题、第二凸子问题和第三凸子问题进行求解，得到优化结果；
通信优化模块，用于根据优化结果提升多天线发射机Alice与Bob之间的隐蔽通信性能。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1-7任一所述的多天线隐蔽通信方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述权利要求1-7任一项所述的多天线隐蔽通信方法。
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| CN202410276229.1A CN117879755A (zh) | 2024-03-12 | 2024-03-12 | 一种多天线隐蔽通信方法、装置、设备及介质 |
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2024
- 2024-03-12 CN CN202410276229.1A patent/CN117879755A/zh active Pending
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